30%2C000m3全容储罐拱顶结构安全设计与分析.pdf

-74-2023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备30，0 0 0 m 全容储罐拱顶结构安全设计与分析王永生，王宏伟，王子兴，宋民航（1.南京港华燃气有限公司，南京2 1 0 0 0 0)(2.中海油石化工程有限公司，济南2 50 1 0 1)(3.中国科学院过程工程研究所，北京1 0 0 1 9 0)摘要大型全容储罐拱顶多采用空间网壳结构，拱顶结构的强度和稳定性是影响储罐安全的关键因素。本文以某城燃30,000m3储罐拱顶为研究对象，结合现场数据，分别对拱顶钢结构和球壳板在3种最不利载荷工况组合下的强度与变形情况进行数值模拟分析。并依据标准对拱顶钢结构进行安全验算，同时对拱顶板单元进行了强度校核。结果表明，30，0 0 0 m3全容储罐拱顶结构强度及稳定性均满足要求。关键词】拱顶储罐；网壳结构；有限元分析；结构强度；STAAD.PrO大型低温储罐一般用于盛装LNG、液态乙烯、液态丙烷、液氨、液态CO2等，其中，50,000m及以上的低温全容储罐一般采用混凝土外罐加9 Ni/5Ni钢内罐结构，而2 0,0 0 0 50,0 0 0 m低温储罐一般采用全金属壁结构。大型低温储罐具有设备体积大、内外壁温差大、受载复杂等特点，其安全稳定的存储能力可以为供气起到高效的缓冲作用-2 。大型低温储罐的拱顶结构绝大部分均采用钢网壳结构。网壳顶由空间杆件预制成为球面网架，然后在球面网架上面铺设钢板形成球壳，组成完整的密封罐顶。常见的网壳拱顶结构有三种，分别为经纬向网壳、双向网壳和三角形网壳结构。其中经纬向网壳结构是按辐射方向设置梁，在荷载的作用下，网壳结构不仅会产生径向力，而且产生环向力。由于梁系的布置，环向条与肋共同承担载荷，可降低网壳整体的用钢量，也使得整个网壳结构的内力分布得到改善。网壳顶结构形式的布置，网壳顶结构失稳荷载的计算以及在地震与风荷载作用下网壳顶结构的安全性等问题一直是设计和研究的重点内容 3-7 。基于离散化假定的非线性有限单元法是网壳结构强度和稳定性分析的主要方法 9 。STAAD.Pro作为一个综合性的结构设计软件，在大型储罐拱顶结构设计中有广泛的应用1 0 1。本文以国内某城燃30,0 0 0 m的LNG低温全容储罐经纬向网壳拱顶结构为研究对象，采用STAAD.Pro软件，模拟分析拱顶钢结构和球壳板在不同工况组合下的受力与变形情况，然后结合标准GB/T50017-200312中的相关规定进行安全性验证。1.储罐拱顶模型1.1#拱顶结构参数某天然气管网工程中一台容积为30,0 0 0 m3的三金属壁全容LNG储罐，储罐直径43465mm，拱顶采用经纬向网壳结构。径向梁为6 0 根HN350170的H型钢，沿球面圆周等距分布，拱顶球面直径43880mm。径向梁之间均匀布置1 1道环向梁，环向梁同样为HN350170的H型钢。为进一步加强网壳结构的稳定性，环向梁与径向梁之间设有6 组斜支撑，斜支撑采用HN250125的H型钢。径向梁、环向梁和斜支撑之间用螺栓连接，材料均为Q355E，钢结构执行标准为GB/T11263-2017。拱顶结构的主要构件具体参数如表1所示。整个拱顶网壳通过连接支座与罐壁连接，将作用在网壳顶上的荷载传递到下部的罐体上。拱顶经纬向网壳钢结构上有一层蒙皮，球面由中心盖板和40 块瓜皮板组成。最外圈承压环瓜皮板厚2 6 mm，其余瓜皮板厚度6 mm，中心环直径4700mm，拱顶蒙皮材料为Q345R。内罐顶为悬作者简介王永生（1 9 7 6），男，江苏如皋人，工程师，LNG储配站运行安全。75第1 1 期王永生等：30,000m者罐拱顶结构安全设计与分析挂式平顶结构，平顶与拱顶间通过吊杆相连接。拱顶整体网壳结构俯视图，如图1 所示。图130,000m全容储罐经纬向拱顶结构俯视图表1拱顶结构主要构件参数位置型钢类型截面尺寸（mm）数量材料径向梁H型钢HN350X175X7X1160Q355E环向梁H型钢HN350X175X7X1111Q355E斜支撑H型钢HN250X125X6X96Q355E1.2拱顶数值模型根据拱顶网壳结构的实际结构尺寸，采用STAAD.Pro软件进行1:1 建模。把拱顶结构上的主要受力构件均建立到数值计算模型上，使建立的数值模型与实际一致。图2 与图3分别为30,0 0 0 m全容储罐拱顶钢结构和板单元计算模型。图230,000m拱顶钢结构计算模型图330,000m拱顶板单元计算模型2荷载选取与工况组合2.1荷载选取根据全容储罐拱顶结构的受力特点，全容储罐拱顶主要承受静荷载、活载荷、操作荷载和动载荷4种，具体荷载取值如下：（1）静荷载：静载荷主要由2 个部分组成，一是拱顶自身重力和附件（拱顶主平台、放空平台、附属管道与阀门等）的重力，由程序计算并作用在对应的钢结构上；二是内罐吊顶自重视为集中荷载作用在环梁上；（2）活荷载：主要为检修和操作平台活载荷，根据API650相关规定荷载值取1.2 kN/m，活载荷沿竖直方向施加在拱顶0.3m0.3m的范围内，如图3所示。（3）操作荷载：主要考虑储罐内的操作负压-0.1 0 KPa，采用静力等效原理施加在拱顶的板单元上。（4）动荷载：储罐承受的动荷载主要有风荷载和地震荷载两种。在风荷载和地震荷载的作用下储罐拱顶可能会失稳变形，根据GB/T50009-2012建筑结构载荷规范中的规定，将设计基本风压值0.50 kN/m加载到拱顶的板单元上，风荷载方向为图3所示的坐标系中x和z轴正方向。在计算地震载荷作用下拱顶结构的反应时，将载荷转化为重力载荷施加在钢结构和板单元进行计算。地震载荷参数设置为：地震抗震设防烈度7 度，设计地震基本加速度0.1 5g；设计地震分组为第三组；场地土类别为II类，特征周期0.40 s。2.2荷载组合根据GB/T50009-2011建筑结构载荷规范考虑主要的荷载组合共有7 种，经初步核算共有376-2023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备种最为不利的组合工况，如表2 所示。分别为1.2 静荷载+1.0 活荷载+1.0 操作荷载、1.2 静荷载+0.6 活荷载+1.0 操作荷载+0.3x轴方向风荷载+1.3z轴方向地震荷载和1.2 静荷载+1.0 活荷载+1.0 操作荷载+0.3z轴方向风荷载+1.3z轴方向地震荷载。表2网壳结构计算荷载组合表基本工况荷载系数组合静荷活荷操作风荷载地震荷载工况载载荷载轴乙轴轴2轴11.21.01.0/21.20.61.00.3/1.331.21.01.00.31.32.3边界条件经纬向网壳结构拱顶的最外层环梁一般与储罐的壁板相焊接。考虑拱顶与壁面的协同工作特点，将拱顶最外圈边梁设定为铰接支座，即限制拱顶在竖直方向（y方向）的位移，而不限制连接点的自由转动。3计算结果分析为使储罐拱顶结构在稳定的状态下工作，对组成的拱顶网壳结构单元构件进行强度和稳定性计算，以保证结构设计的安全可靠性。3.1梁单元应力图430,000m拱顶结构梁单元应力分布图530,000m拱顶结构Fy风向应力分布通过数值计算并对比可知，储罐拱顶结构在组合工况3时产生的梁单元应力最大。图4给出了30,000m3拱顶结构在组合工况3时的梁单元应力情况。从图中可知，拱顶结构在静荷载、活荷载、操作载荷、z方向的风荷载和x方向的地震荷载的共同作用下，在最外侧环梁处产生最大的梁单元内力，径向梁主要承受弯矩的作用。图5为拱顶结构在组合工况2 时所承受的Fy方向的应力情况，由图5可知风荷载作用于拱顶x轴方向的钢结构上，在迎风面上产生压应力，Fy值从迎风面中心向外逐渐减小。3.2板单元应力图6 所示为拱顶结构在组合工况1 作用下的板单元应力云图，从图中可知，此时板单元的最大应力为9 8.7 MPa，应力集中区域主要位于活荷载作用的区域范围内。应力变化从活荷载作用区域向外围呈均匀梯度变化。通过计算组合工况2 及组合工况3知，板单元的最大应力值分别为1 0 0.5MPa和113.6MPa。Q 345R 材料的许用应力 o=189MPa,板单元在两种组合工况下的最大应力值均小于材料的许用应力。图7 所示为拱顶板单元在组合工况3时的应力云图，拱顶结构在主风方向、静荷载及活荷载的作用下，在迎风面产生较大应力，并沿板单元向背风向延伸，应力云图显示呈梯度变化，罐顶的应力值最小。SP-0.4345712.718.9253.137.343.449.655.761.8口90.392.698.7图630,000m拱顶结构组合工况1 板单元应力云图P0.0030.0500:0980.1650193O.2410.2850.338口353国0.4312.4790.526口5740.6210.6890.7770.784图730，0 0 0 m 拱顶结构风荷载下的板单元应力云图王永生等30.000m罐拱顶结构全设计与分析第1 1 期4拱顶结构安全验算根据GB50017-2017钢结构设计标准规定：拉弯、压构件在两个主平面内的截面强度：NM.M,一土X(1)AnYWmxYWm式中：N一同一截面轴心压力设计值（N）；Mx、M,一同一截面处对x轴和y轴的弯矩设计值（Nmm）；x、y 一截面塑性系数；W,一构件的净截面模量；压、弯构件在两个主平面内的稳定性计算公式：NuM.,M(2)N11-0.8NxNPmM,77+nf9,AN6x1-0.8Ny(3)式中：x、y一对轴x-x和y-y轴的轴心受压构件整体稳定性系数；bx、by一均匀弯曲的受弯构件整体稳定性系数；Wx、Wy 一对强轴和若轴的净截面模量；mx、my、tx、ty一等效弯矩系数。受压为主的单层网壳结构跨中区域最大挠度值不超过L/400；网壳整体稳定性按弹性过程分析时，安全系数为K=4.2；轴心受压的压杆容许长细比要求 入 1 50，其中入=l/i。通过进一步校核拱顶结构的各个梁单元，在不同基础载荷工况和组合工况下其截面强度、稳定性、挠度值和容许长细比均符合GB50017-2017钢结构设计标准夫规定中的要求。5结论本文采用STAAD.Pro对30,0 0 0 m拱顶网壳结构进行安全分析与验证，得到以下结论：(1）30,0 0 0 m全容储罐拱顶钢结构在恒荷载、活荷载、风荷载、及地震荷载等不同载荷组合工况下的梁单元应力和变形进行数值分析，梁单元的最大应力位于罐壁与拱顶连接处，根据GB50017-2017对梁单元进一步校核表明，结构强度和稳定性均符合规定中的要求；(2）通过分析不同载荷工况下的拱顶结构板单元受力情况可知，板单元的最大应力点位于活载荷作用区域边缘，且应力分布沿最大点向外围呈梯度均匀变化。板单元最大应力值为1 1 3.6 MPa，小于材料的许用应力。参考文献1赵晨，赵凤霞.大型低温立式LNG储罐强度分析 .化工设备与管道，2 0 2 2,59(5):42-48.2董石麟.空间网格结构分析理论与计算方法 M.北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 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